一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統及方法

2023-06-29 22:15:41

專利名稱：一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統及方法
技術領域：
本發明屬於輪椅技術領域，特別涉及智能式輪椅控制系統及控制方法。
背景技術：
隨著移動機器人技術的快速發展和成熟，較低成本的機器人將會真正進入人們的生活，視覺交互是人-機-環境進行交互的重要交互模式。經過調研，很多輪椅使用者在某些固定場合(如家庭、醫院、機場)使用輪椅時，往往需要頻繁地在固定的路線上來回移動。因此，可以在這些路線上鋪設好標記線，輪椅通過自動追蹤這些不同走向的標誌線，實現到指定路徑與地點的移動。省去了人為的操控，從而為用戶提供方便。因此，成本低、結構緊湊、功耗低、便攜性強的視覺導航控制系統將備受輪椅使用者的青睞。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制方
法及裝置。本發明所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統(如圖1所示)，包括照明裝置、 圖像傳感器、主控制器、超聲波測距模塊、手動控制器、電機驅動裝置和直流電機，其中，智能輪椅通過照明裝置和圖像傳感器來採集指定運行路線的圖像信息，通過主控制器對圖像信息進行分析和處理來獲得相應的控制策略，通過超聲波測距模塊來判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段實現安全保護運行，通過手動控制器來實現緊急或其他情況下手柄幹預保護運行，通過主控制器語音播報功能實現安全保護與運行狀態提示，通過電機驅動裝置將控制信號進行放大轉換為驅動直流電機的驅動信號，最終通過直流電機運行控制智能輪椅進行相應的運動。為了更加詳細地對視覺導航控制系統進行說明，下面從具體的硬體體系結構上進行闡述(如圖2所示)。圖1所述的主控制器由單片機、DA轉換晶片、繼電器組、監測電路、 揚聲器、鍵盤和LED組成，其中單片機用來對指定運行路線的圖像信息進行處理和分析，DA 轉換模塊將控制策略轉換為電機驅動裝置所需的四路模擬電壓信號，繼電器組用來選擇輪椅是處於自動控制模式還是手動控制模式，監測電路用來實時的檢測用戶是否有手動控制指令發出，揚聲器用來播放語音提示音，實現輪椅與用戶之間的語音交互，鍵盤用來接收用戶輸入的控制指令，LED則用於指示輪椅當前所處的運行狀態。圖1所述的直流電機分為左、右直流電機。在控制原理上，本發明所述的視覺導航控制系統是一閉環控制系統(如圖3所示)。其中輪椅中心的位置作為給定環節的輸入量，用於確定被控對象輪椅的目標值。標識線的中心位置作為測量環節的輸出量和控制系統的反饋量。通過比較環節得到輪椅中心位置和標識線中心位置的偏差，再通過放大及運算環節對偏差量進行轉換和功率放大，執行環節接收放大環節輸出的控制信號，驅動被控對象輪椅按照預期的目標運動。最終實現輪椅的轉向和速度控制。
在功能上，本發明所述的視覺導航控制系統分為圖像採集、圖像處理、控制決策、 安全保護和動力系統驅動五個子功能模塊，其組成框圖如圖4所示。其中，圖像採集模塊對圖像傳感器輸出的視頻信號進行A/D轉換，獲得路徑的數字圖像；圖像處理模塊通過有效的數字圖像處理算法，提取出智能輪椅與標識線間的位置和角度偏差；控制決策模塊對智能輪椅的轉向和速度採用模糊控制算法，根據圖像處理模塊提取出的路徑信息查詢模糊控制表來獲得相應的控制策略；安全保護模塊分為超聲波避障、手動控制、語音播報以及緊急停止等安全保護方式，其中超聲波避障安全保護用於判斷輪椅周圍是否有障礙物或者是低洼地段，手動幹預安全保護使得用戶可以通過手柄自主的幹預輪椅的運動；動力系統的驅動模塊在控制直流電機的轉速上分為兩種方式第一種控制方式是通過主控制器輸出的 PWM信號來控制步進電機的轉速；第二種控制方式是將控制策略通過D/A轉換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管直流電機的控制器來控制直流電機的轉速。下面通過將本發明應用到普通電動輪椅當中，來對本發明的技術方案逐一進行闡述。圖像採集模塊由數字圖像傳感器以及安裝在圖像傳感器四周的照明裝置組成。由於數字圖像傳感器將光敏元陣列、驅動電路、信號處理電路、A/D轉換電路和接口電路等完全集成在同一晶片內，故僅需設計相應的外圍電路即可實現單晶片成像系統。單片機根據數字圖像傳感器輸出的VSYNC (場同步信號),HREF (行同步信號)和PCLK (像素同步信號) 的時序來完成圖像數據的採集，通過安裝在圖像傳感器四周的照明裝置，可以實現對外界不同光線環境進行相應的補償，並通過自適應閾值調整方法，從而完成在不同光線環境下的視覺導航功能。下面首先分別對各個信號進行說明。VSYNC(場同步信號)用來判斷一副圖像是否已經開始，VSYNC信號的周期為20ms。 另外VSYNC信號需要通過下降沿來捕捉，這和單片機外部中斷的觸發方式相同，所以一旦單片機進入場中斷，便可立即採集數據。HREF(行同步信號)用來判斷一行圖像是否已經開始，HREF信號的周期為Mus， 其中有效的灰度數據是在行中斷後40us的上升沿內，而在行中斷後的Mus的下降沿內採集到的都是不準確的數據。為了保證能夠採集到正確的數據，行中斷必須通過上升沿捕捉， 而單片機外部中斷的觸發方式為下降沿觸發，所以這裡需要另外串聯一個反相器，這樣一旦單片機進入行中斷，便可立即採集數據。PCLK(像素同步信號)用來判斷灰度數據是否有效，PCLK信號的周期為112ns。 由於單片機的處理速度有限，所以單片機根本捕捉不到PCLK信號。要採集到正確的灰度數據，可以根據HREF信號來進行數據採集。具體的方法是在HREF信號處於高電平的40us內通過軟體延時來採集，其中延時的時間需要藉助於示波器等預先獲得。只要保證每次採集數據的時候PCLK信號都處於高電平狀態，就保證採集到的灰度數據全是正確的。圖像採集模塊程序流程圖如圖5所示，其方法為單片機首先通過場中斷信號觸發外部中斷來開始進行一場圖像數據的採集，進入場中斷程序之後，再通過行中斷信號來進行特定行圖像數據的採集，即為提高單片機處理速度和處理能力，採用隔數行採集數據的方法，並根據調整的攝像頭視域，形成圖像數據矩陣。圖像處理和控制決策模塊程序流程圖如圖6所示，其方法為根據標識線和地面所對應的圖像數據之間的差異，由於受周圍環境光線強弱影響，通過自適應閾值調整的方法， 選取一個灰度值作為閾值，對圖像數據矩陣進行處理，提取出標識線中心線的位置，進而計算出輪椅與標識線間的位置偏差d和角度偏差θ (如圖7所示)，d = Lcenter_data [ητ] -C，
H
^ = arctan(-^-^) 』其中Lcenter_data[nT]為視覺圖像數據第％行(特定行，實現例為離
輪椅主動輪軸線最近距離的一行)的標識線中心數據，C為攝像頭安裝固定後輪椅中心參數，D是指在每個控制周期內智能輪椅按照原方向運行的距離參數(如用圖7b中θ角度偏差表示，則上式中分子Hx則變為Hx-d)。根據輪椅和標識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規則表(如圖8所示，NB/負大、NM/負中、NS/負小、ZE/零、PS/正小、PM/正中、 PB/正大)，便可智能的獲得相應的控制策略，進行輪椅運行控制(速度和方向)。自適應閾值調整的方法即自適應動態灰度閾值Dt = Dh min+ λ (Dh _-Dh min)，其中Dh為實際採得的視覺區域圖像點的灰度數據值，λ為自適應閾值的調整係數，在規則標識線下λ可取0.05 0. 1。為了去除幹擾噪聲，通常採用連續N個點滿足閾值條件，則判斷該起始點為標識線數據，否則認為是噪聲幹擾數據。安全保護模塊分為超聲波避障、手動控制、語音播報以及緊急停止等安全保護方式，其中超聲波避障和手動控制的控制程序流程圖如圖6所示，超聲波避障安全保護的方法為在輪椅執行相對應的控制策略之前，通過調用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運動，並給出語音播報，直至障礙物移開或者是執行用戶其它的控制指令；手動幹預安全保護的方法為將輪椅自帶的手動控制器的四路模擬電壓輸出線接到四路電壓比較器(LM339)上，並與基準電壓(2. 5V)進行比較，當用戶操作手柄時，手動控制器輸出的四路模擬電壓信號之中必有一路大於基準電壓，故四路電壓比較器中必有一路輸出為高電平，之後經過或門輸出高電平，再經過放大電路驅動接通用於手動控制的繼電器動作， 將輪椅切換到手動控制模式，便實現了手柄最高優先級的控制，當用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式。主控制器的語音播報安全保護是通過主控制器的圖像處理與識別，到停止點或者無導航路徑信息時，主控制器將強制輪椅停止並給出語音播報信息提示。 緊急停止保護是在緊急或意外情況下通過緊急開關斷開，抱閘抱死，輪椅緊急停止。動力系統的驅動模塊由DA轉換晶片、電動輪椅自帶的控制器以及相應的外圍電路組成，其方法是通過控制信息轉化的DA信號接管電動輪椅直流電機控制器對輪椅運行進行控制。首先建立DA轉換晶片輸出的四路模擬電壓信號和直流電機轉速之間的對應關係，其次通過DA轉換晶片產生的模擬電壓信號實現對輪椅轉角和速度的控制。視覺導航控制系統的總程序流程圖如圖6所示，具體的實現方法為單片機在進行初始化準備工作之後，首先通過場中斷信號觸發外部中斷來開始進行一場圖像數據的採集，進入場中斷程序之後，再通過行中斷信號來進行特定行圖像數據的採集，一場圖像數據採集完畢後退出中斷程序。此後，通過數字圖像處理算法來提取出輪椅與標識線間的位置和角度偏差，並通過模糊控制算法來獲得對應的控制策略，輪椅在執行控制策略之前，通過調用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運動，直至障礙物移開或者是執行用戶其它的控制指令，用戶在進行視覺導航的過程中，任何時候都可以通過手動控制器來自主的幹預輪椅的運動，單片機最終通過外部DA轉換晶片產生的四路模擬電壓信號來實現對輪椅轉角和速度的控制。
針對智能輪椅的經濟性、安全性和交互流暢性等市場推廣瓶頸，本發明採用高性能單片機對普通電動輪椅進行智能化升級，使輪椅能夠實現在不同光線環境下對不同走向和形狀標識線的視覺跟蹤，從而完成到指定路線的運行。並通過融合超聲波避障技術、手柄幹預控制技術以及主控制器的圖像識別與語音播報技術，進一步提高智能輪椅運行安全性。本發明在單片機的基礎上實現了智能輪椅按指定路線的視覺導航運行，特別適用於需要頻繁地在固定路線來回移動的場合。同時，本發明無需PC機或DSP等高性能微處理器，具有成本低，功耗低，便攜性強，結構緊湊等優點，具有良好的市場前景。


圖1為本發明嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統總結構圖。圖2為本發明視覺導航控制系統的硬體體系結構圖。圖3為本發明視覺導航控制系統的組成框圖。圖4為本發明視覺導航控制系統的控制原理方框圖。圖5為本發明圖像採集模塊的程序流程圖。圖6為本發明視覺導航控制系統的總程序流程圖。圖7為本發明輪椅與標識線位置與角度偏差獲取示意8為本發明模糊控制規則表
具體實施例方式本發明將通過以下實施例作進一步的說明。本發明所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統的總結構圖如圖1所示，系統包括照明裝置⑴、圖像傳感器⑵、主控制器⑶、超聲波測距模塊⑷、手動控制器(5)、電機驅動裝置(6)和直流電機(7)。其中，圖像傳感器( 通過照明裝置(1)來採集指定運行路線的圖像信息，主控制器C3)對圖像傳感器( 採集到的圖像信息進行處理和分析，提取出所需的路徑位置和角度偏差，並通過模糊控制算法來獲得相應的控制策略，同時超聲波測距模塊(4)用來實時地對輪椅所處的環境進行檢測和分析，判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段，並將該信息及時地傳送給主控制器(3)，主控制器(3)再根據該信息來判斷根據圖像傳感器(2)所得到的控制策略是否能夠安全地執行，並通過語音播報的形式將信息反饋給用戶。手動控制器( 用來接收使用者的手動控制指令，智能輪椅在視覺導航運行過程中，一旦主控制器C3)檢測到使用者有手動控制指令發出，主控制器C3)將立即執行手動控制指令，並最終通過電機驅動裝置(6)將控制信號進行放大轉換為驅動直流電機(7)的驅動信號。本發明提出的視覺導航控制系統的硬體體系結構圖如圖2所示，圖1所述的主控制器由單片機、DA轉換晶片、繼電器組、監測電路、揚聲器、鍵盤和LED組成，其中單片機用來對指定運行路線的圖像信息進行處理和分析，DA轉換晶片將控制策略轉換為電機驅動裝置所需的四路模擬電壓信號，繼電器組用來選擇輪椅是處於自動控制模式還是手動控制模式，監測電路用來實時的檢測用戶是否有手動控制指令發出，揚聲器用來播放語音提示音， 實現輪椅與用戶之間的語音交互，鍵盤用來接收用戶輸入的控制指令，LED則用於指示輪椅當前所處的運行狀態。圖1所述的直流電機分為左、右直流電機。本發明所述的視覺導航控制系統的組成框圖如圖3所示，其中，圖像採集模塊對圖像傳感器輸出的視頻信號進行A/D轉換，獲得路徑的數字圖像；圖像處理模塊通過有效的數字圖像處理算法提取智能輪椅與標識線間的位置和角度偏差；控制決策模塊對智能輪椅的轉向和速度採用模糊控制算法，根據圖像處理模塊提取出的路徑信息查詢模糊控制表來獲得相應的控制策略；動力系統驅動模塊將控制策略通過D/A轉換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管直流電機控制器來控制直流電機的轉速。本發明所述的視覺導航控制系統的控制原理方框圖如圖4所示，該控制系統是一閉環控制系統，其中輪椅中心的位置作為給定環節的輸入量，用於確定被控對象輪椅的目標值。標識線的中心位置作為測量環節的輸出量和控制系統的反饋量。通過比較環節得到輪椅中心位置和標識線中心位置的偏差，再通過放大及運算環節對偏差量進行轉換和功率放大，執行環節接收放大環節輸出的控制信號，驅動被控對象輪椅按照預期的目標運動。最終實現輪椅的轉向和速度控制。本發明所述的圖像採集模塊程序流程圖如圖6所示，單片機首先通過場中斷信號觸發外部中斷來開始進行一場圖像數據的採集，進入場中斷程序之後，再通過行中斷信號來進行特定行圖像數據的採集，直至一場圖像數據採集完畢後才退出才中斷程序。本發明所述的視覺導航控制系統總程序流程圖如圖6所示，其具體實現例步驟為S6. 1系統初始化輪椅電源開啟之後，單片機進行一系列的初始化工作，主要包括0V6620數字圖像傳感器各個寄存器中狀態變量和數值的初始化、單片機I/O 口、系統時鐘、中斷以及鍵盤、 指示燈和D/A模塊的初始化工作。S6. 2攝像頭復位，並關閉外部中斷當單片機SPCE061A根據0V6620輸出的VSYNC (場同步信號)、HREF (行同步信號) 的時序完成圖像數據的採集之後，單片機對0V6620圖像傳感器進行復位操作，使其停止工作，並關閉外部中斷，然後進入圖像數據處理程序。S6.3根據周圍光線的強弱來確定閾值由於原始圖像中會存在幹擾信息，因此需要對圖像數據進行預處理。為了快速準確地提取出標識線，可以選取一個灰度值作為閾值來區分標識線和地面，但是圖像灰度數據的大小會隨著周圍環境光線的強弱而變化，當光線較強時，圖像灰度數據較大，而光線較弱時，圖像灰度數據較小。為了實現在不同的光線環境下對不同形狀標識線的跟蹤，故需根據周圍光線的強弱來自適應動態確定閾值。S6. 4計算標識線中心線的位置通過設定的動態閾值，從每一行圖像數據的最左端開始依次向右比較各個灰度數據和閾值的大小。若數據大於或等於閾值，則判定該數據對應的是淺色路面；反之，則判定對應的是黑色標識線。為了防止外界環境的幹擾，只有當連續數個數據均小於閾值時，才認定有黑線存在，此時記錄下黑線左邊緣位置，再根據黑線在圖像數組中對應的寬度便可確定黑線中心線的位置S6.5計算標識線中心線的位置與角度偏差
根據標識線中心線的位置來計算出標識線中心線和輪椅中心線的位置偏差，根據水平和垂直方向上的位置偏差來計算出標識線中心線的角度偏差。S6. 6查詢模糊控制規則表獲取相應的控制策略為了實現快速實時控制，可以通過建立模糊控制表，根據輪椅和標識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規則表便可獲得相應的控制策略S6. 7調用超聲波測距模塊在輪椅執行相對應的控制策略之前，通過調用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運動，直至障礙物移開或者是執行用戶其它的控制指令。S6. 8 D/A轉換模塊根據控制策略輸出多路模擬電壓信號SPCE061A單片機最終通過外部D/A轉換晶片產生的四路模擬電壓信號實現對電動輪椅直流電動機轉速的控制，故需將控制指令轉換為對應的四路模擬電壓信號來對直流電機控制器進行控制。S6.9電機驅動器根據手動控制指令對輪椅的轉向和速度進行控制當用戶操作手柄時，放大電路驅動接通用於手動控制的繼電器動作，將輪椅切換到手動控制模式，當用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式。S6. 10攝像頭正常工作並允許外部中斷一場圖像處理完畢，圖像傳感器恢復正常工作狀態，並開始外部中斷，準備進入下一次工作循環。
權利要求
1.一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統，其特徵在於，系統包括照明裝置(1)、圖像傳感器( 、主控制器( 、超聲波測距模塊(4)、手動控制器( 、電機驅動裝置(6)和直流電機(7)，其中，照明裝置⑴和圖像傳感器⑵相連，圖像傳感器O)、超聲波測距模塊 G)、手動控制器(5)均和主控制器(3)互聯，主控制器(3)又連接於電機驅動裝置(6)，電機驅動裝置(6)連接於直流電機(8)；智能輪椅通過照明裝置(1)和圖像傳感器(2)來採集指定運行路線的圖像信息，通過主控制器( 對圖像信息進行分析和處理來獲得相應的控制策略，通過超聲波測距模塊 (4)來判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段，通過手動控制器(5)來判斷用戶是否需要通過手柄來自主的幹預輪椅的運動，通過電機驅動裝置(6)將控制信號進行放大轉換為驅動直流電機(7)的驅動信號，最終通過直流電機(7)控制智能輪椅進行相應的運動。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，主控制器由單片機、DA轉換晶片、繼電器組、監測電路、揚聲器、鍵盤和LED組成；單片機通過DA轉換晶片連接到繼電器組，通過繼電器組與電機驅動裝置(6)相連；繼電器組用於切換自動或者控制模式，監測電路用於實時地監測是否有手動控制指令發出；單片機並通過揚聲器、鍵盤和LED人機互動設備與用戶交互。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，主控制器在完成圖像數據處理的同時，還可以根據超聲波測距模塊的檢測結果來判斷控制指令是否能夠安全地執行。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述的照明裝置能夠根據所採集到圖像數據的質量來自適應的調整照明光源的光強。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述的電機驅動裝置的控制方式是通過主控制器輸出的PWM信號來控制步進電機的轉速或者將控制策略通過D/A轉換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管普通電動輪椅直流電機控制器來控制直流電機的轉速。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，採用分布在輪椅四周以及底下的多個超聲波測距模塊來對輪椅周圍的障礙物和低洼地段進行檢測。
7.一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，其方法如下單片機在進行初始化準備工作之後，首先通過場中斷信號觸發外部中斷來開始進行一場圖像數據的採集，進入場中斷程序之後，再通過行中斷信號來進行特定行圖像數據的採集，直至一場圖像數據採集完畢後才退出才中斷程序，獲得數字圖像矩陣；此後，通過數字圖像處理算法來提取出標識線中心線位置以及輪椅與標識線間的位置和角度偏差，並經過相應的控制算法來獲得對應的控制策略，輪椅在執行控制策略之前，通過調用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運動，直至障礙物移開或者是執行用戶其它的控制指令，用戶在進行視覺導航的過程中，任何時候都可以通過手動控制器來自主的幹預輪椅的運動，單片機最終通過外部D/A轉換晶片產生的數路模擬電壓信號來實現對輪椅轉角和速度的控制。
8.根據權利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，圖像採集處理其特徵在於採用間隔數行採集的方式，並根據調整的視覺傳感器視域和標識線寬度得到長短適宜的行數據，獲得圖像數據矩陣，以提高嵌入式系統圖像採集處理速度與能力。
9.根據權利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，圖像採集處理其特徵是單片機根據場同步信號和行同步信號的時序對圖像數據進行採集。
10.根據權利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，圖像採集處理其特徵在於採用自適應動態閾值方法確定標識線數據，以適應不同光線環境。
11.根據權利要求10所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，其特徵為控制輸入量採用輪椅與標識線位置與角度偏差，控制算法為模糊控制算法。
12.根據權利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導航控制方法，其特徵是 S12. 1系統初始化輪椅電源開啟之後，單片機進行一系列的初始化工作，主要包括圖像傳感器各個寄存器中狀態變量和數值的初始化、單片機I/O 口、系統時鐘、中斷以及鍵盤、指示燈和D/A模塊的初始化工作；S12.2攝像頭復位，並關閉外部中斷當單片機根據圖像傳感器輸出的VSYNC(場同步信號)、HREF(行同步信號)的時序完成圖像數據的採集之後，單片機對圖像傳感器進行復位操作，使圖像傳感器停止工作，並關閉外部中斷，然後進入圖像數據處理程序； S12.3根據周圍光線的強弱來確定閾值為了在不同的光線環境下快速準確地提取出標識線，單片機需要根據周圍光線的強弱來確定閾值，以便找到標識線在圖像數據中對應的位置； S12.4計算標識線中心線的位置通過設定的動態閾值，從每一行圖像數據的最左端開始依次向右比較各個灰度數據和閾值的大小；若數據大於或等於閾值，則判定該數據對應的是淺色路面；反之，則判定對應的是黑色標識線；為了防止外界環境的幹擾，只有當連續數個數據均小於閾值時，才認定有黑線存在，此時記錄下黑線左邊緣位置，再根據黑線在圖像數組中對應的寬度便可確定黑線中心線的位置；S12.5計算標識線中心線的位置與角度偏差根據標識線中心線的位置來計算出標識線中心線和輪椅中心線的位置偏差，根據水平和垂直方向上的位置偏差來計算出標識線中心線的角度偏差； S12. 6查詢模糊控制規則表獲取相應的控制策略根據輪椅和標識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規則表便可獲得相應的控制策略；S12. 7調用超聲波測距模塊在輪椅執行相對應的控制策略之前，通過調用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運動，直至障礙物移開或者是執行用戶其它的控制指令； S12. 8 D/A轉換模塊根據控制策略輸出多路模擬電壓信號SPCE061A單片機最終通過外部D/A轉換晶片產生的四路模擬電壓信號實現對電動輪椅直流電動機轉速的控制，故需將控制指令轉換為對應的四路模擬電壓信號來對直流電機控制器進行控制；S12. 9電機驅動器根據手動控制指令對輪椅的轉向和速度進行控制當用戶操作手柄時，放大電路驅動接通用於手動控制的繼電器動作，將輪椅切換到手動控制模式，當用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式； S12. 10攝像頭正常工作並允許外部中斷一場圖像處理完畢，0V6620圖像傳感器恢復正常工作狀態,並開始外部中斷，準備進入下一次工作循環。
全文摘要
一種嵌入式智能輪椅視覺導航控制系統及方法，系統包括照明裝置、圖像傳感器、主控制器、超聲波測距模塊、手動控制器、電機驅動裝置和直流電機，其中，照明裝置和圖像傳感器相連，圖像傳感器、超聲波測距模塊、手動控制器均和主控制器互聯，主控制器又連接於電機驅動裝置，電機驅動裝置連接於直流電機；方法首先獲取數字圖像矩陣；提取出標識線中心線位置以及輪椅與標識線間的位置和角度偏差，獲得控制策略；超聲波探測障礙物，通過外部D/A轉換晶片產生的數路模擬電壓信號實現輪椅轉角和速度的控制。本發明實現了智能輪椅按指定路線的視覺導航運行，特別適用於需要頻繁地在固定路線來回移動的場合，具有成本低，功耗低，便攜性強，結構緊湊等優點。
文檔編號A61G5/10GK102188311SQ20101059707
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者劉繼忠, 吳斌, 夏嘉廷, 張華 , 範冰飛 申請人:南昌大學